ADD、SUB、MUL 与 CPSR 状态标志

上一课，我们用 MOV 和 SWI 写出了第一个能跑的程序，并用退出码 42 证明它真的活过一次。但要说句实话——MOV 只是个搬运工，它只会把数据从 A 挪到 B，一个数都算不出来。一台只会搬运、不会算术的 CPU，充其量是个昂贵的快递柜。

这一课，我们让 CPU 真正动起来：加（ADD）、减（SUB）、乘（MUL）。算完之后，还会顺手认识一位一直在场、却始终被我们无视的角色——CPSR。它像裁判手里的记分牌，时刻记着上一次运算留下的痕迹。别小看这块记分牌，后面所有的「如果……就跳转」，靠的全是它。

本系列基于 ARMv7（ARM 的 32 位版本）。本课的寄存器与标志位变化，建议在 CPUlator（https://cpulator.01xz.net/ ，选 ARM + ARMv7）里单步看最直观——它会把你设置的标志位高亮成粗体。

1. 一句话记住 ARM 的算术指令

好消息是，ARM 的算术指令长得几乎一模一样——它们共享同一副骨架，都是三操作数结构。它做的事永远是这一句：把第一操作数和第二操作数做运算，结果存进目标寄存器。

无论是加、减、乘，还是后面要学的逻辑、移位，换汤不换药。变的只是前面的助记符，和第二操作数允许填什么。

助记符  目标寄存器, 第一操作数, 第二操作数
  Rd       ,      Rn    ,    <操作数2>

注： 这正是上一课 MOV 的延伸：MOV 是把第二操作数抄进 Rd；本课的 ADD/SUB/MUL 是把两个操作数算一下再放进 Rd。

_{图 1 · 算术指令的三操作数结构：Rn 与 <操作数2> 运算后存入 Rd}

2. ADD：加法，两种填法

ADD 是这课的主角，先拿它开刀。它有两种用法，区别只在第二操作数填什么。

2.1 立即数加法

第二操作数填一个常量（立即数，前缀 #）：

    mov r0, #4        @ 先给 R0 放个值 4
    add r1, r0, #3    @ R1 = R0 + 3 = 7

这条 add 读出 R0（值为 4），加上立即数 #3，把结果 7 写进目标寄存器 R1。翻译成你熟悉的高级语言，就是一句 r1 = r0 + 3;

注： # 表示立即数（常量），默认十进制；#0x.. 则是十六进制。和上一课 MOV 的写法一脉相承。

2.2 寄存器加法

第二操作数也可以填另一个寄存器——把两个寄存器的值相加：

    mov r0, #4        @ R0 = 4
    mov r2, #2        @ R2 = 2
    add r1, r0, r2    @ R1 = R0 + R2 = 6

结果 6 落进 R1。至于把哪个寄存器相加——无所谓，R0+R2 也好、R3+R5 也好，CPU 一视同仁。其实上一课的 MOV 也支持寄存器源（mov r1, r0 把 R0 复制到 R1），原理同此。

_{图 2 · ADD 加法实例：R0 与操作数2 相加后存入 R1}

3. SUB：减法，与加法镜像

学会了加法，减法就是白送的。SUB（subtract）的写法和 ADD 完全对称，做的事是 Rd = Rn − <操作数2>。

    mov r0, #4        @ R0 = 4
    mov r2, #2        @ R2 = 2
    sub r1, r0, r2    @ R1 = R0 - R2 = 2

它同样有立即数和寄存器两种填法。所以 ADD 会了，SUB 基本就会了——把 + 换成 −，仅此而已。

注： 助记符大小写不限：ADD/add、SUB/sub 等价。本系列统一用小写，少按一个 Shift。

_{图 3 · SUB 减法实例：与加法同构，只是把 + 换成 −}

4. MUL：乘法，且只能用寄存器

MUL（multiply）把两个值相乘，写法依旧眼熟：

    mov r0, #4        @ R0 = 4
    mov r2, #2        @ R2 = 2
    mul r1, r0, r2    @ R1 = R0 * R2 = 8

结果 8 落进 R1。

这里有个容易让你 debug 到怀疑人生的坑：MUL 没有立即数版本，第二操作数必须是寄存器。想乘以一个常量？对不起，先 MOV 进某个寄存器，再 MUL。这是 MUL 和 ADD/SUB 唯一的别扭之处，记住它，能少摔一个跟头。

注意： 千万不要写成 mul r1, r0, #4——MUL 没有立即数版本，第二操作数必须是寄存器。想乘常量，先 mov 进寄存器。

注： 在 CPUlator 里 Compile & Load 后单步，你会眼睁睁看到：执行 mul r1, r0, r2 那一步，R1 从 0 变成 0x00000008。

_{图 4 · MUL 乘法实例：仅支持寄存器，没有立即数版本}

5. CPSR：那块记录运算痕迹的看板

算术做完了，结果乖乖躺在 Rd 里。但运算过程中，还悄悄留下了别的东西——状态标志。它们集中存在一个一直被我们无视的特殊寄存器里：CPSR（Current Program Status Register，当前程序状态寄存器）。

CPSR 是 32 位的，其中最高几位是标志位——可以理解成裁判记分牌上的几盏灯，每一盏记录一种运算后果：N（Negative，结果为负）、Z（Zero，结果为零）、C（Carry，进位/借位）、V（oVerflow，有符号溢出）。

• 第 31 位 N：运算结果为负时置 1
• 第 30 位 Z：运算结果为零时置 1
• 第 29 位 C：加法产生进位 / 减法无借位时置 1
• 第 28 位 V：有符号运算溢出时置 1

注： C（进位）和 V（溢出）牵扯到无符号/有符号的细节，后续会单独细讲。本课先盯住 N 和 Z。

_{图 5 · CPSR 高 4 位标志：N Z C V 分别占用第 31、30、29、28 位}

为什么要盯着这块记分牌？因为后面写「如果上次结果为零就跳转」「如果是负数就走另一条路」这类条件分支时，CPU 靠的就是 CPSR 里这些灯的明灭来做判断。记分牌不亮，CPU 就是个只会闷头算、不会做决定的书呆子。

6. 一个关键字母：S 后缀

谜底揭晓：默认情况下，add / sub / mul 跑完，并不会去更新 CPSR 的标志位——它们只管闷头算、只管存结果，压根不碰记分牌。

想让 CPU 顺手翻一下记分牌？就在助记符后面加一个 S：

    add  r1, r0, r2   @ 只算结果，CPSR 不动
    adds r1, r0, r2   @ 算结果，并按结果更新 CPSR 标志

S = Set flags（设置标志位）。ADD、SUB、MUL 都能戴这顶帽子，变成 ADDS/SUBS/MULS。一个字母，拨动的却是「要不要把这次运算的痕迹写进 CPSR」这道开关。

_{图 6 · add 与 adds 的区别：加不加 S，决定了 CPSR 标志位是否被更新}

7. 实战：让 Z 标志亮起来

光说不练假把式。来看一个完整例子，我们的目标是亲手点亮 Z（零）标志那盏灯——方法无他，造一个结果为零的减法：

    mov  r0, #3        @ R0 = 3
    mov  r1, #3        @ R1 = 3
    subs r2, r0, r1    @ R2 = R0 - R1 = 0，并更新 CPSR

subs 把 R0 − R1 = 0 存进 R2，同时顺手翻了一下记分牌。因为结果是 0，Z 标志（第 30 位）应声点亮。

例. 这里的 s 真是一字千金：写成 sub 就不会动 CPSR，Z 标志永远不亮；非 subs 不可。

7.1 在二进制里看清楚

CPSR 是 32 位的，CPUlator 默认用十六进制显示。把那串十六进制值翻译回二进制，你会看到：第 30 位（Z）从 0 翻成了 1。

为什么是 32 位？因为 ARMv7 的寄存器就是 32 位 = 8 个十六进制位 = 8 × 4 个二进制位。每个十六进制数字管 4 个二进制位，8 × 4 = 32，严丝合缝。

注： CPUlator 的贴心之处：点亮的标志会变成粗体黑色，没点亮的则是灰色。一眼就能看出 Z（以及本例里同时被点亮的 C）真的亮了。

小结

这一课，我们让 CPU 从快递柜升级成了会算术的计算器，并第一次窥见了那块一直在场的记分牌：

• 三操作数骨架：助记符 Rd, Rn, <操作数2>，运算结果进 Rd，加减乘共用一副骨架
• ADD / SUB：各有立即数、寄存器两种填法，加法减法镜像对称，会一个就会一双
• MUL：只有寄存器版本，没有立即数——这是它和加减法唯一的别扭，记住能少摔跟头
• CPSR：用 N / Z / C / V 四盏灯记录运算后果，是后续所有条件分支的裁判
• S 后缀：adds/subs 才会翻记分牌，少了这个字母，四盏灯纹丝不动

加减乘有了，记分牌也会看了。下一课，我们就要让 CPU 拿着这些亮起的灯，去做决定了。下一课见。

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